2014 Nobel Fizik Ödülü
Prof. Dr. Ramazan AYDIN
Atılım Üniversitesi, Sivil Havacılık Yüksek Okulu
Yapay aydınlatma ve elektrik enerjisi tasarrufunda çığır açan mavi ışık diyotları (mavi LED)
geliştiren 3 Japon fizikçi bu yılın Nobel fizik ödülünün sahibi oldular. İsveç Kraliyet Bilim
Akademisi, 2014 Nobel Fizik Ödülünü yüksek enerjili beyaz ışık üretimini
olanaklı kılan yüksek verimlilikte mavi ışık salan diyotları geliştiren bilim
insanlarına verilmesine karar verdi. Isamu Akasaki (Meijo University, Nagoya,
Japonya), Hiroshi Amano (Nagoya University, Japonya) ve Shuji Nakamura (University of
California, Santa Barbara, ABD) tarafından gerçekleştirilen buluş “insanlığın büyük
menfaatine” katkıda bulunduğu gerekçesiyle bilim tarihinin en büyük ödülüne layık görüldü.
LED (Light-Emitting Diode: ışıyan diyot)
teknolojisi lazer ile birlikte ileri bilgi
teknolojisinin öncülüğünü yapmaya başladı. 1960lı yılların başında kırmızı ve aynı yılların
sonunda yeşil ışık veren LEDler geliştirildi ve piyasaya sunuldu. 1993 yılında da mavi LED
yapılınca görünür bölge spektrumu tümüyle tamamlanmış oldu. Böylelikle, mavi, yeşil ve
kırmızı ışığın bir araya gelmesiyle güçlü beyaz ışık veren LEDlerin üretimi mümkün oldu.
LED teknolojisinde elde edilen bu başarıdan sonra, minimum enerji harcayarak, yüksek
şiddette, parlak beyaz ışık üretilebilmesi dünya enerji tasarrufunda büyük bir aşama ve
dolayısıyla insanlık için yaşamsal önemde bir adım oldu .
1962 yılında birbirinden bağımsız üç araştırma grubu tarafndan hemen hemen aynı zamanda
geliştirilen yarıiletken lazerlerin yüksek verimlilik, kolaylıkla modüle edilebilirlik ve yapısal
olarak çok küçük ve ekonomik olması gibi diğer lazerlere göre önemli üstünlükleri
bulunmaktadır. LEDler yarıiletken teknolojisinde, lazer ile birlikte, bir yan ürün olarak ortaya
çıkmıştır. Ancak, üretim tekniği daha basit, farklı renklerde (dalgaboyunda), hatta beyaz ve
yüksek güçlü olabilen LEDler uygulamada kullanım kolaylıkları bakımından da lazere göre
üstün özelliklere sahiptir..
LED, kabaca, iki kutuplu yarıiletken ışık kaynağıdır. Diğer bir deyişle, yarıiletken pozitif (p)
ve negatif (n) eklem diyotu olup, uygun koşullar sağlandığında ışıma yapar. Fizikçi bakış
açısından ele alındığında ise, yarıiletken madde içinde (negatif) elektronların (pozitif)
boşluklarla tekrar birleşmesi ile ışık açığa çıkar. LED, yarıiletken lazerin eşevrelilik ve
tekrenklilik gibi özelliklerine sahip olmayan, daha basit ama eşdeğer üretim tekniğine sahip
olan bir ışık kaynağıdır.
Kırmızı ve yeşil LEDler, galyum arsenid (GaAs) ve galyum fosfit (GaP) yarıiletkenler
kullanılarak üretilmektedir. Temelde kırmızı ve yeşilden daha kısa dalgaboylu (yani daha
yüksek foton enerjili) emisyon elde edebilmek için, yine V. Grup elementlerinden arsenik
(atom numarası 33) ve fosfordan (atom numarası 15) daha küçük yapıda bir elementin
galyum ile birleşmesi gerekir. Bu oluşum için en uygun adayın azot (atom numarası 7)
olduğunu gören Akasaki, Amano ve Nakamura GaN bileşiğini malzeme olarak almışlar ve
bunun üzerinde uzun süre çalışmışlardır. Kısaca, yüksek verimde mavi LED elde etme
çabaları, GaN ve aluminyum galyum nitrit katmanı oluşturmak suretiyle başarıya ulaşmıştır.
Benzer biçimde, GaN, indiyum galyum nitrit ve aluminyum galyum nitrit eşleşmesi ile mavi
LED ışıması Nobel ödülü alan fizikçiler tarafından başarıyla gerçekleştirilmiştir.
Bir LED; yüzeyi mm2 boyutunda çok küçük olmasının yanısıra, kullanım kolaylığı,
ekonomik ve yüksek verimlilik gibi alışılmışın ötesinde avantajlara sahiptir. Son yıllarda
geliştirilen yüksek güçlü LEDler çevre aydınlatma ve benzeri amaçlarla günlik yaşamda
kullanılmaktadır. Çok düşük enerji tüketimi, uzun yaşam süresi, dayanıklılık ve kullanım
kolaylığı, küçük boyutta olması ve çok hızlı anahtarlama özellikleri taşıması LEDlerin önde
gelen avantajlarıdır. Bu özelliklerinden dolayı ışıyan diyotlar, havacılık aydınlatmasında,
trafik sinyallerinde, genel ve özel amaçlı aydınlatmada, reklamcılıkta tercih edilmektedir. Adi
beyaz ışık ampulleri ile karşılaştırıldığında, LEDler 10 kat daha çok enerjice verimli, 100 kat
daha uzun ömürlü, titreşim ve şoklara karşı çok daha dirençlidirler.
Dünya elektrik enerjisi tüketiminde aydınlanmanın payının %20-30 olduğu gözönünde
bulundurulursa, artan dünya nüfusu karşısında sürekli azalan doğal enerji kaynakları
insanlığın geleceğini ciddi boyutlarda tehdit etmektedir. Endüstride ve aydınlatmada geniş
kullanım alanı bulunan fosil kaynaklı yakıtlar (kömür, petrol, doğalgaz gibi) karbon dioksit
emisyonu nedeniyle ileri boyutlarda iklim değişmelerine neden olmaktadır. Fosil kaynaklı
enerji tüketiminin azaltılması beyaz LEDler ile mümkün olabilecek ve sera etkisinin
düşürülmesi de gündeme gelecektir. Bu gelişmelerin dünya elektrik tüketimini düşürmesinin
yanı sıra, GaN tabanlı LEDlerin başka uygulamaları da bulunmaktadır. Örneğin, cep telefonu
ekranlarının aydınlatılmasında, bilgisayarlarda ve televizyonlarda geniş uygulamaları
sözkonusudur. Ayrıca, güneş enerjisi ile beslenen LEDler günlük yaşama girmiş bulunuyor.
LEDlerin aydınlanma amaçlı kullanımının yaygınlaşması ile dünya enerji tüketimi çok ciddi
boyutlarda azalacak ve bununla birlikte atmosfere salınan karbon dioksit gazı ve dolayısıyla
sera etkisinin çevre ve atmosfer üzerindeki olumsuz etkileri de ortadan kalakacaktır.
Sadece ekonomik yaşamda değil, daha önemlisi, temiz enerji üretimi ve çevre sorunları
açısından da mavi LED teknolojisi insanlığın gönenci ve geleceği için büyük bir adımdır.
Kaynaklar:
1) 2014 Nobel Prize in Physics, www.nobelprize.org, The Official Web Site of the Nobel
Prize
2) Science, www.sciencemag.org, 9 October 2014
Download

2014 Nobel Fizik Ödülü